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1、BPdM 北京普迪美科技有限公司北京普迪美科技有限公司Tel:+86-10-62049486 Fax:+86-10-62044543振动分析基础简谐简谐振振动动三要素三要素振振动动的的时时域描述域描述振振动动的的频频域描述域描述系系统对统对激励的响激励的响应应单单自由度系自由度系统统多自由度系多自由度系统统自由振自由振动动，模，模态态强强迫振迫振动动，共振，共振幅幅频频响响应应和相和相频频响响应应振动测量框图振动测量框图传感器及其选用传感器及其选用旋转机械振动测量的旋转机械振动测量的 几个特殊问题几个特殊问题 相位和基频的测量相位和基频的测量 波德图和极坐标图波德图和极坐标图 三维频谱图三维频
2、谱图 轴心轨迹和轴心位置轴心轨迹和轴心位置图图 摆振信号来源及其补摆振信号来源及其补偿偿本章内容什么是振动？没有力的作用=没有运动三种基本型式的力Impact loose parts,hammering in a piping system,rolling element in a bearing hitting a spallPeriodic repetitive force such as unbalance or misalignmentRandom varies with time,for example,turbulence in piping,pump cavitation振动源于
3、力的作用简谐振动三要素振幅振幅 (Amplitude)偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。圆频率圆频率(Angular frequency)描述振动的快慢，记作,单位为弧度/秒。频率频率 f=/2 为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)。周期周期 T=1/f=2/为每振动一次所需的时间，单位为秒。初相角初相角 (Initial phase)描述振动在起始瞬间的状态，记作。dvadva振动位移(Displacement)d=A sint速度速度(Velocity)v=A sin(t+/2)加速度加速度(Acceleration)a=A sin(t+)位移、速度、加速度都是同频率的简谐
4、波。三者的幅值依次为A、A、A 2。相位关系：加速度领先速度90;速度领先位移90。振动位移、速度、加速度之间的关系 简谐振动为例 x=Asin(t+/2)峰值 xp=A;峰峰值 xp-p=2A平均确定值 xav=0.637A有效值 xrms=0.707A平均值对非简谐振动，上述关系不成立。正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值振动的时域参数振动测量单位Displacement(distance)mils or micrometers,mVelocity(speed-rate of change of displacement)in/sec or mm/sec Acceleration(ra
5、te of change of velocity)Gs or in/sec2 or mm/sec2Frequency Hertz=Hz=Cycles per secondRPM=Revolutions per minuteCPM=Cycles per minuteCPM=RPM=Hz x 60瞬瞬时值时值(Instant value)振振动动的任一瞬的任一瞬时时的数的数值值。峰峰值值(Peak value)振振动动离平衡位置的最大偏离平衡位置的最大偏离。离。平均确定平均确定值值(Aver.absolute value)均均值值(Mean value)又称平均又称平均值值或直流重量。或直流重量。
6、有效有效值值(Root mean square value)xpx=x(t)振动的时域参数计算即使是很简洁的机器也会因为各种振源而产生振动。各振源的振动不确定都是机器的转速频率，通常有些振源的振动是在转速频率之上或之下。有些振动甚至与转速无关。各种振源每个振源都要产生自己独特的振动频率成分或振动形态。对已知的设备，找到了它所产生的各振动频率成分，也就知道了振源所在。对一台机器所进行的振动分析1/3 是由其振动频率成分查找振源。其余2/3 的振动分析是从已知机器的历史中找到问题所在。多频率成分的产生机械振动的类型各振源间的组合把振动信号中所包含的各种各种频频率成分率成分分别分解出来的方法。频率分
7、析的数学基础是傅里叶傅里叶变换变换和快速傅里叶算法（FFT）。频率分析可用频频率分析率分析仪仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。频率分析的结果得到各种频谱图频谱图，这是故障诊断的有力工具。振动信号的频率分析频率成分的提取名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱各种振动波形的频谱一个简洁振动试验风机转子One second of time风机转子每秒钟转5转在转子上施加一个重量，使转子产生不平衡力，而引起振动一个简洁振动试验频率计算Hertz=Hz=Cycles per secondRPM=Revolutions per minuteCPM=Cycles per minuteCPM=RPM=
8、Hz x 60风机转速=5 Hz or 300 RPM周期=1/频率风机转速=5 Hz or 300 RPM风机转速提高一倍波形图中的波形靠得很近风机转速=10 Hz or 600 RPM一个简洁振动试验提高频率一个简洁振动试验提高幅值位移:mils or micron速度:in/sec or mm/sec加速度:G由于加在风机叶片上的不平衡重量，当风机转速提高后，其振动幅值增加波形的高度是幅值.一个简洁振动试验增加另一个振源新的振动成分=10 x 8=80 Hz摩擦不平衡一个简洁振动试验一个振源的频谱分析FFT5 Hz5 Hz=300 RPM10 Hz=600 RPMFFT10 Hz一个简洁
9、振动试验两个振源的频谱分析RubImbalanceFFT10 Hz80 Hz600 CPM单自由度振动问题注：确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度注：确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度简谐振动有阻尼的强迫振动非简谐振动振动的频率等于激励的频率。振幅大小与激励力的大小成正比。激励频率接近固有频率时，振幅增大称为共振。共振峰大小确定于阻尼大小。振幅和位相随激励频率而变更，变更规律用系统的幅频特性和相频特性来表示。单自由度系统的强迫振动振动参数的计算各振动参数间的关系干扰力引起的振动波形振动信号处理（1）振动信号处理（2）典型振动信号的FFT 简谐波形及其频谱 脉冲波形及其频谱 方
10、波形及其频谱 简谐拍波及其频谱滤波问题高通滤波低通滤波带通滤波带阻滤波FFT 中的泄漏问题及其窗函数时 域 波 形 的 截 取 与 复 制FFT 中的泄漏问题及其窗函数时 域 波 形 的 复 制 误 差FFT 中的泄漏问题及其窗函数频 域 波 形 的 泄 漏 问 题FFT 中的泄漏问题及其窗函数加窗处理矩形窗汉宁窗(Hanning)海明窗(Hamming)凯莎窗(Kesha)三角窗 窗函数：混叠问题及采样频率混叠问题及采样频率削减混叠问题的方法：提高采样频率 对时域波形进行滤波 频域和时域的平均技术频域和时域的平均技术 平均10次后的频谱未进行平均处理的频谱未进行平均处理的波形与频谱已进行平均
11、处理的波形与频谱磁带记录仪频谱分析仪打印机存储设备绘图仪测量电路基频检测仪记录仪数据采集和分析系统汽轮机齿轮增速箱压缩机涡流传感器速度传感器加速度传感器键相传感器旋转机械振动测量框图Vibration frequency indicates the potential source of the problem also“how often”a problem repeats itselfVibration amplitude indicates the severity of the problem.Phase indicates how a machine is moving与振动相关联的
12、量相位在转子上布置键相标记K，在轴承座上布置键相传感器K（光电或涡流式），其输出的参考脉冲为相位的基准。以参考脉冲后到第一个正峰值的转角定义振动相位，即a。振动相位干脆和转子的转动角度有关，在平衡和故障诊断中有重要作用。参考脉冲也用于测量转子的转速。旋转机械振动相位的测量The relationship of the movement of part of a machine to a reference for example the position of the shaft as it rotatesThe relationship of the movement between one
13、 or more points on a machine同相位振动反相位振动振动相位Once we know“how”a machine is moving,we know WHYAmplitude and frequency provide 80%accuracy when performing a diagnosis or analysis adding phase increases accuracy to better than 95%相位的作用振动位移振动加速度振动速度力的指示疲劳的指示应力的指示对数幅值对数频率当量烈度等值线实例1：600RPM 风机振动位移振动速度振动加速度实例2
14、：15K赫兹 齿轮啮合测量单位及检测类型各种振动传感器各种振动传感器 结构与原理 特性曲线 标定及其标 定系数非接触式位移传感器磁电式振动速度传感器压电式振动加速度计传感器结构及原理接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz1000Hz典型线性范围：02mm典型灵敏度：20mV/mm/s测量非转动部件的确定振动的速度。不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。低输出阻抗，抗干扰力强。传感器质量较大，对小型对象有影响。在传感器固有频率旁边有较大的相移。磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变更。测量非
15、转动部件的确定振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。现场测量要留意电磁场、声场和接地回路的干扰。压电加速度传感器非接触式位移传感器加速度传感器的频响特性波德图和极坐标图波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同，都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变更规律。三维频谱图 三维频谱图是频频谱的集合谱的集合。第三个坐标可以是转速转速、时间时间(日期)、其他工艺参其他工艺参数数等。本图第三坐标是转速，机器升速过程中发生了油膜涡动和油膜振荡。轴心轨迹 Orbit 的测定轴心轨迹(Orbit)是诊断旋转机械故障的有力工具。轴心轨迹可用
16、基频检测仪和示波器得到，也可以用计算机完成。轴心位置可以用计算机及其外设来绘制。涡流传感器的输出信号动态部分静态静态部分部分轴心轨迹轴心轴心位置位置间隙变化平均平均间隙间隙轴心位置的测定轴心位置的变更汽轮发电机中压缸轴承汽轮发电机中压缸轴承升速时轴心位置渐渐上升速时轴心位置渐渐上升。升。到工作转速时，偏心率到工作转速时，偏心率为为0.66；偏位角；偏位角32。属正常。属正常。以后数月，轴承基础下以后数月，轴承基础下沉，导致轴心上浮，沉，导致轴心上浮，偏心率削减，偏位角偏心率削减，偏位角接近接近90。发生了油膜振荡。发生了油膜振荡。监测轴心位置有助于发监测轴心位置有助于发觉机器的故障。觉机器的故障。